雙溪口水庫下游防洪風險分析

但靈芝，楊益青

(寧波市水利水電規劃設計研究院有限公司，浙江 寧波 315000)

近年來，極端天氣頻發，2021年“煙花”臺風期間，恰逢天文大潮，甬江流域遭遇“風、暴、潮、洪四碰頭”，上游水庫在連日的降雨中逐漸蓄滿并超歷史極值，為了保證水庫的安全運行，在危機時刻超下游河道安全流量泄洪，導致水庫下游受災嚴重。為確保水庫安全度汛，本文以雙溪口水庫為例，考慮地形、道路、河道等對洪水演進的影響，通過建立雙溪口水庫下游區間內一二維水動力學模型，利用MIKE FLOOD進行耦合計算，分析雙溪口水庫不同泄洪標準下水庫下泄洪水演進過程，分析具有防洪任務的大中型水庫超下游河道安全流量時淹沒風險，進一步提升水庫超標準洪水應對能力，也為水庫防洪減災決策提供技術支撐。

1 工程概況

雙溪口水庫位于浙江省余姚市大隱鎮章山村，距大隱鎮3.0km，距余姚市城區22km，距寧波市區17km。水庫集水面積40.01km2，流域平均海拔307.90m(國家85高程基準，下同)。水庫正常蓄水位65.3m，蓄水量2873萬m3，設計洪水標準為100年一遇，相應設計洪水位68.04m，校核洪水標準為2000年一遇，相應校核洪水位69.21m，水庫總庫容為3398萬m3，是一座以供水、防洪為主，結合灌溉等功能綜合利用的中型水庫。水庫防洪直接保護大隱鎮及杭甬高速公路等重要基礎設施安全，間接保護寧波市區。

2 淹沒風險分析

2.1 模型范圍確定

雙溪口水庫壩址以上集雨面積40.01km2，下游地區的入流洪水主要由雙溪口水庫的泄洪流量以及區間來水組成。考慮到整個流域連通性，本次計算范圍將拓展到雙溪口水庫下游隱溪河出口斷面以上區域，面積共計約62.97km2，繪制淹沒范圍面積約5.92km2。

2.2 模型原理

根據雙溪口水庫壩址以下至姚江河段的河道地形特點，擬采用一維模型與二維模型耦合的方式建立洪水演進數值模擬模型。用一維模型模擬河道、二維模型模擬灘地，沒有修建防洪工程的用側向耦合，已經建有防洪工程的在分析調查可能潰口位置處設置耦合點，當水位超過一定高程后，洪水通過耦合點進入二維區域；由產匯流模型根據降雨及下墊面條件提供流量上邊界，由實測或設計外海潮位過程提供流域排水下邊界，以一維水動力模型模擬河道；漫堤洪水在平原上的演進采用二維水動力模型，進行網格淹沒分析與展示；一維模型和二維模型之間的水量交互通過在過渡面處虛設寬頂堰的方式進行處理，過閘流量采用寬頂堰淹沒出流公式，將一二維耦合的復雜問題概化為堰流模型方便的進行計算[1-2]。

2.2.1一維模型

一維非恒定流數學模型基本方程為圣維南方程組：

(1)

(2)

式中，x、t—距離和時間的坐標；A—過水斷面面積；Q—流量；h—水位；q—旁側入流流量；C—謝才系數；R—水力半徑；α—動量校正系數；g—重力加速度。

2.2.2二維模型

(1)控制方程[3-4]

水流連續方程：

(3)

水流運動方程：

(4)

(5)

式中，H=h+ζ—垂線水深；ζ—水位；u、v—x、y方向的垂線平均流速分量；ε—紊動運動粘性系數；n—糙率系數。

(2)邊界條件

①固壁邊界

利用岸壁法，取法向不可入條件，即法向流速為零。

Vn=V·n=0

(6)

②開邊界

可采用邊界水(潮)位過程或流速過程，即按邊界網格線方向，求得流速分量u和v，然后再納入過程計算。

③動邊界

模型區域內邊灘隨著水位漲落，存在淹沒和露灘交替的現象，具有可移動邊界的特點，為保證模型計算的連續性，采用干濕判別確定計算區域由于水位變化產生的動邊界，干水深(drying depth)取0.005m、洪水深(flooding depth)取0.05m、濕水深(wetting depth)取0.1m。

2.2.3一、二維耦合模型

本次一、二維模型耦合計算采用MIKE FLOOD模塊計算[5-7]，MIKE FLOOD通過建立一維模型與二維模型之間的連接，實現一、二維模型的耦合。模型總共有6種不同的連接形式，本次計算將采用其中的側向連接形式，如圖1所示。側向連接允許MIKE 21的網格從側面連接到MIKE 11的部分河道，甚至是整個河道。利用結構物流量公式來計算通過側向連接的水流，用側向連接來模擬水從河道漫流到洪泛區的運動是非常有效的。本次計算中，一二維連接處采用寬頂堰淹沒出流公式計算河道漫流，堰頂高程采用一維河道堤頂高程與二維網格底高程中的較大者。流量系數根據本流域現有閘壩資料選取。過閘流量確定之后，對于一維河道來說，一二維交互問題轉化為旁側入流的問題，而對于二維河網來說，該問題轉化為外部有流量邊界的問題，均可以根據之前建立的考慮旁側入流或外部流量邊界條件的模型進行求解。

圖1 MIKE FLOOD側向連接示意圖

2.2.4邊界條件

(1)初始條件

對于建模的給定的計算區域，給定水位和流速初始值。

(2)邊界條件

一維模型上邊界為進口開邊界處的水位過程，下邊界為出口開邊界的水位過程。二維模型上下開邊界條件由一維模型提供。

2.3 河道斷面設置與網格劃分

本文采用動態耦合的一二維洪水模型，通過構建水庫下游河流水系模型(MIKE11)、水庫下游二維地形模型(MIKE21)，利用MIKE FLOOD模型平臺進行耦合，分析5、10、20、50、100年一遇降雨下水庫下游淹沒范圍、淹沒深度，從而提出相應的避洪轉移措施。

2.3.1斷面概化

(1)斷面間距：考慮不同河段的斷面變化程度，一般設置斷面間距300m，對變化劇烈的河段加密設置斷面。

(2)斷面形式：采用起點距-高程形式的大斷面資料，或采用梯形、復式斷面等概化后的規則斷面。

(3)斷面個數：模型采用2022年6月實測隱溪河及支流河道斷面資料，共布置68個斷面，如圖2所示。

圖2 雙溪口水庫下游河道及斷面概化圖

2.3.2網格概化

本次建立的二維水動力數學模型，為了較好反映水庫下游地形，滿足精度要求，采用非結構網格，寬度為30～40m，重點區域如水深編號較大及邊界形態變化較大的地方網格進行局部加密，寬度為10～20m。共搭建網格數量10328個，如圖3所示。

圖3 水庫下游區域網格概化

2.3.3地形概化

本次收集到大隱鎮1∶2000地形圖和DEM數據，其中DEM高程密度30m以內，為盡量提高計算精度，本文通過ARCGIS將DEM數據作為網格高程插值的基礎數據，導出最高精度的離散高程點，共5.92萬個。

2.3.4邊界條件

考慮到雙溪口水庫所處流域流量測站少，雨量測站多的實際情況，本次由各產流分區暴雨過程推算其流量或凈雨過程。水庫出流根據各方案下水庫擬定的防洪調度規則進行調洪演算，然后通過河道洪水演算至壩址處，各洪水標準流量過程作為一維計算的入流邊界條件，區間洪水以點源或點匯輸入，下邊界為各洪水標準下姚江水位過程，偏安全考慮，取偏不利的多年平均最高潮位潮型，進行縮放作為各標準下設計水位過程；二維模型上下邊界條件由一維模型提供，見表1。

表1 各方案邊界條件

2.3.5參數率定

本文主要河道的糙率根據實測的河道水位、流量資料進行率定取值。山區河道糙率一般取0.028～0.045，其中主槽糙率0.028～0.035，邊灘糙率0.035～0.045。網格糙率根據土地類型的不同，利用ARCGIS的空間分析功能，將不同下墊面的糙率復制到網格點，見表2。

表2 網格糙率取值表

2.4 影響分析

各方案下計算范圍內平均淹沒水深及各方案下淹沒情況見表3，根據計算結果，5年一遇淹沒總面積0.37km2，主要涉及大隱村及民樂村，淹沒范圍內主要為村莊低洼處房屋；10年一遇淹沒總面積0.91km2，主要為濱溪社區、大隱村及民樂村，淹沒范圍內主要為下游農田以及少部分村莊內低洼地區；20年一遇淹沒總面積1.44km2，主要為濱溪社區、學士橋村、大隱村及民樂村，淹沒范圍內主要為下游農田以及少部分村莊內低洼地區；50年一遇淹沒總面積1.74km2，主要為濱溪社區、學士橋村、大隱村及民樂村，淹沒范圍內主要為下游農田以及村莊內低洼地區；100年一遇淹沒總面積1.93km2，主要為濱溪社區、學士橋村、大隱村及民樂村，淹沒范圍內主要為下游農田以及村莊內低洼地區。

表3 淹沒情況統計表

3 結語

為科學分析水庫下游防洪風險，本文采用一二維耦合模型對雙溪口水庫進行洪水影響分析，根據模型計算結果，當發生非超標準洪水時，淹沒范圍大多為農田低洼處，當發生超標準洪水時，村莊低洼處開始受淹。淹沒影響對象涉及大隱鎮和高橋鎮，主要為濱溪社區、學士橋村、大隱村及民樂村。因此，當超標準洪水發生時，水庫應采取相應措施，以防止水庫上游洪水對于下游平原的侵襲，減輕下游平原的受災程度。

由于本文只對水庫下游淹沒范圍及淹沒水深進行了統計分析，對于水庫下游淹沒損失還未進行定量評估，在后續研究中還需進一步分析。